Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 2: Linh kiện điện tử công suất cung cấp cho người học các kiến thức: Diot công suất, linh kiện học transistor, linh kiện họ thyristor. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Trang 1Slides ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
Chương 2: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
2.1 Diod công suất 2.2 Linh kiện họ transistor
2.3 Linh kiện họ thyristor
Ngắt điện điện tử:
linh kiện hay nhóm linh kiện điện tử làm việc trong hai chế độ:
- Dẫn điện hay bảo hoà (ON): sụt áp rất bé, dòng phụ thuộc vào tải
- Khóa (OFF): dòng qua nó rất bé (≈ 0), xem như hở mạch
Linh kiện chính:
diode, thyristor (SCR), transistor (BJT, MosFET, IGBT)
2 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
2.1 DIOD CÔNG SUẤT:
Là diod chịu dòng lớn, dùng trong ĐTCS
1 Phân loại: - có hai loại:
- tần số công nghiệp (diod chỉnh lưu)
- diod tần số cao có diod Schotky chịu áp thấp, sụt áp thuận 0.2 – 0.4V
2 Đặïc tính phục hồi của diod (recovery):
Từ dẫn -> khóa có khoãng dẫn dòng ngược
TÁC DỤNG: hạn chế tần số làm việc, quá áp đóng ngắt
Trang 23 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
2.2 LINH KIỆN HỌ TRANSISTOR:
Là nhóm linh kiện đóng ngắt theo điều khiển: BJT, MosFET, IGBT…
G
S
D
S
G D
G
C
E G
C
E
MosFET kênh n (Ký hiệu quen dùng) Ký hiệu IGBT Mạch nguyên lý IGBT
- MosFET: là transistor trường loại tăng (enhancement)
- IGBT (Insulated Gate BJT) = MosFET ở ngỏ vào + BJT ở ngỏ ra
BJT: điều khiển bằng dòng cực B MosFET, IGBT: điều khiển bằng áp VGS VGE
- IB = 0 => BJT khóa, không dẫn điện
- IB đủ lớn (IB > IC / β) BJT bảo hòa: dòng
tải IC chỉ phụ thuộc tải
transistor Darlington có β từ vài trăm
đến vài nghìn
- VGS ≤ 0 : transistor khóa
- VGS > VTH : transistor dẫn điện
(VTH từ 3 5 volt) Thực tế điều khiển:
0/10 – 15V hay ±(10 – 15)V
4 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
2.2.1 Đặc tính đóng ngắt BJT
- Thí nghiệm đóng ngắt tải R và RL:
VCC VCC
C i C
i
CE v CE
v
Q R1 R2 VBB
Rt L
Q Rt
R1 R2 VBB
- từ khóa Ỉ bảo hòa transistor đi qua trạng thái khuếch đại
=> có tổn hao đóng ngắt:
phát nhiệt tăng cao theo tần số làm việc
=> cần có biện pháp:
điều khiển tối ưu + mạch hỗ trợ
Trang 35 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
2.2.2 Mạch lái BJT:
Khái niệm về mạch lái (driver):
Điều khiển
vòng kín Mạch phát xung Khuếch đại xung Ghép nối
NĐBD
DRIVER: bộ phận trung gian giữa HT điều khiển - thiết bị
- HT ĐKTĐ: Driver = bộ điều khiển động cơ/ tải công suất
- BBĐ: Driver = mạch cung cấp dòng điều khiển NĐBD
- Ghép nối: trung gian mạch ĐK – động lực
Trực tiếp – qua trung gian quang / từ
6 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
a Dạng xung điều khiển tối ưu:
- Dòng cực B tối ưu:
I I
I
cb dt
ng t
B i
Q R2
VBB
C
D R R1
mạch Snubber
tụ điện ký sinh CBE cần nạp/xả nhanh MosFET, IGBT: cũng có quá trình tương tự với CGS
- Mạch cải thiện quá trình khóa:
Tụ C tạo đường dẫn điện IC trrong quá trình khóa ngắt điện
Trang 47 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
b Mạch lái BJT
- các dạng mạch lái trực tiếp: (a), (b), (d)
- VCC VCC
Q R2
R3
Q1 Q2 R1
R2 D
Q Q2 Q1
1uF 2.2k
Q T
R1
- Ghép bằng quang (OPTRON): Dùng nguồn độc lập cho mạch lái
OPTRON (Cách ly tín hiệu
ĐK) + sửa dạng + khuếch
đại công suất (Ghép trực
tiếp)
Mạch điện tương tự như lái
SCR
Khuếch đại xung
10 mA
cấp điện
OPTO
8 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
2.2.3 mạch lái MosFET, IGBT:
- Các thông số:
Ngưỡng áp điều khiển 3 – 5 V
Tiêu biểu 0 – 10 V (hay 15 V) +/- 10 V (hay 15 V) Giới hạn +/- 20 V
22k
510/3w
MOSFET N
330p
Dz7V2
0 15V
Xung
D 220
- Mạch lái MosFET và IGBT:
Tần số thấp: lái trực tiếp từ vi mạch 12V Tần số cao: Mạch lái tương tự BJT nhưng cấp điện 15 – 20V
Vi mạch lái: - IR21xx
Trang 59 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
II.3 LINH KIỆN HỌ THYRISTOR:
Thyristor: linh kiện có ≥ 4 lớp, đại diện là SCR
1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SCR:
Ký hiệu SCR Hình II.2.2: Cấu tạo một SCR dòng lớn ở tỉ lệ thực (a) và phóng to mảnh tinh thể bán dẫn (b)
Anod: Dương cực
Katod: Âm cực
Gate: Cổng hay cực điều khiển
10 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
K
N
A
P P
Cấu tạo nguyên lý Mạch tương đương hai BJT
Hình II.2.1: nguyên lý SCR
- Mạch tương đương giải thích được hoạt động của SCR khi phân cực thuận
- Khi mới cấp điện, i G = 0 : SCR khóa thuận và ngược – I A là dòng điện rò, rất bé,
cở mA với VAK ≠ 0
- Khi SCR phân cực thuận VAK > 0, và IG > 0, SCR Ỉ dẫn điện
- SCR tự giữ trạng thái dẫn điện cho đến khi IA Ỉ 0
2 Đặc tính tĩnh ( volt – ampe ):
Mô tả quan hệ IA(VAK) với dòng IG khác nhau
Trang 611 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD
Được phép mang vào phòng thi
Hình II.2.3 Sơ đồ thí nghiệm và đặc tuyến volt – ampe của SCR
* VAK < 0 : Khóa ngược: có dòng rò ngược, cở mA
Khi VAK < - VRB ta có hiện tượng gãy ngược Ỉ SCR bị hỏng
* VAK > 0 và IG = 0 : Khóa thuận: có là dòng rò thuận, cở mA
Khi VAK > VFB ta có hiện tượng gãy thuận: SCR Ỉ dẫn điện
Định mức áp của SCR cần lớn hơn các giá trị gãy với hệ số an toàn > 2
* Quá trình kích: Khi phân cực thuận, nếu IG tăng, VFB giảm dần
=> Kích dòng IG đủ lớn để SCR dẫn điện bất chấp áp phân cực thuận
* Vùng dẫn điện: sụt áp VAK = VF khoảng 1 - 2 volt
12 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
Có 2 thông số dòng: IL : dòng cài, IH : dòng giữ
2 Đặc tính động ( đóng ngắt ):
a Đặc tính mở: ( turn on )
- Thời gian trễ t on
- Giới hạn tốc độ tăng dòng diA/dt vì có thời gian lan truyền của vùng dẫn điện
Hình II.2.4.a Đặc tính động : mở và khóa của SCR
(2) (1)
Trang 713 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD
Được phép mang vào phòng thi
Hình II.2.4.b Cấu tạo SCR cực cổng để cải thiện đặc tính động
b Đặc tính khoá: ( turn off )
- Thời gian đảm bảo tắt t off t off = [ 10 50 ] usec với SCR tần số cao
[ 100 300 ] usec với SCR chỉnh lưu
- Có giới hạn tốc độ tăng du/dt để tránh tự kích dẫn
- Có quá trình dẫn dòng ngược khi khóa (đặt áp âm) như diod (đặc tính phục hồi
ngược)
- Cần có mạch bảo vệ chống tự kích dẫn (hình II.2.5)
14 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm;
R1 = 20 – 100 ohm; C1 = 0.1 – 0.5 uF
Hình II.2.5: Mạch snubber R1C1 và RC cực cổng bảo vệ SCR khỏi các chế độ kích dẫn không mong muốn
3 Đặc tính cổng: (hay kích khởi cổng)
Trang 815 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD
Được phép mang vào phòng thi
Bao gồm:
(1) IG(VG) tiêu biểu,
(2) IG(VG) ứng với điện trở RG bé,
(3) IG(VG) ứng với điện trở RG lớn
Các thông số giới hạn ( cực đại ):
dòng IGmax,
áp VGmax và
công suất tiêu tán trung bình PGmax
(phụ thuộc bề rộng xung kích SCR)
Các thông số giới hạn (bé nhất) cho đảm
bảo kích: VGT, IGT
Hình II.2.6: Đặc tính cổng SCR
Điểm làm việc của cực cổng SCR phải nằm trong các giới hạn trên
16 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
4 Các linh kiện khác trong họ thyristor:
Thyristor là họ linh kiện có ít nhất 4 lớp với SCR là đại diện
Thyristor có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện (kích dẫn)
Một số Thyristor được chế tạo để có thể điều khiển được quá trình khoá làm thành
ngắt điện điện bán dẫn một chiều
Hình II.2.7: Ký hiệu của các linh kiện hay gặp của họ Thyristor
a DARLISTOR: SCR có cấu tạo nối tầng (cascade) để tăng hệ số khuếch đại dòng
IA / IG
b DIAC:
c LA SCR ( Light – activated – SCR ): SCR kích bằng tia sáng
d GTO: ( Gate turn off SCR, SCR tắt bằng cực cổng )
GTO cho phép ngắt SCR bằng xung âm ở cực cổng Từ mạch tương đương hai BJT
Trang 917 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD
Được phép mang vào phòng thi
(hình 1.2a), khả năng này có thể được dự đoán
e TRIAC: Là hai SCR song song ngược, được chế tạo với dòng định mức đến hàng
ngàn ampe
- IG > 0 hay IG < 0 tổ hợp với
VT > 0 hay VT < 0 cho ta
4 kiểu hoạt động
Hình II.2.8 Đặc tuyến V – I của TRIAC và DIAC
Hình II.2.9: Hình dạng bên ngoài
của một số TRIAC (SCR cũng tương tự )
Nhược điểm TRIAC:
- dễ bị tự kích ở nhiệt độ mối
nối cao
- có giới hạn du/dt rất thấp,
18 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
khó làm việc với tải có tính cảm
5 Mạch lái Thyristor:
a Ghép trực tiếp:
Mạch lái = mạch khuếch đại dòng
6V
XUNG DK
SCR R?
R C1
0.1 uF
R5 2.2 ohm R2
220
R3 100 R1
100
R4 2.2 ohm Q1
C1061
b Ghép quang: dùng OPTRON cách ly Điều khiển - Động lực
Trang 1019 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD
Được phép mang vào phòng thi
OPTRON (Optocoupler)
OPTRON Triac họ MOC
OPTRON thông thường có
thời gian trễ lớn hơn vài micro
giây => tần số tối đa đến vài
chục KHz
6V
2 4
Q2 1K
2.2 ohm 2.2 ohm
R1
R2 100
Sơ đồ kích SCR dùng OPTRON thông thường
Đặc tính optron PS2521 (NEC) hay TLP521 (TI)
20 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
Đặc tính optron TRIAC họ MOC của Motorola
c Ghép biến áp: biến áp xung (BAX) nguyên tắc BAX là xung phải đủ hẹp:
thời gian có xung đủ nhỏ – thời gian nghỉ đủ dài
Trang 1121 / 19 ch2 LK DTCS ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi
VCC
D2 D1
3k3
3k3
3k3
Q1
BAX
3.3 ohm
D2
47n
Mạch lái xung hẹp